爆炸荷载下岩石破坏的数值流形方法模拟

为了更好地利用数值流形方法对动力学问题进行分析,在对原数值流形方法中的动力学问题求解思想进行分析的基础上,采用动力有限元方法中的Newmark法对该算法进行了改进。改进后的数值流形方法与原来相比具有三个明显的优势：（1）当选择合适的参数后,该方法能够保证解的无条件收敛;（2）可以采用比原算法大得多的时间步长;（3）充分考虑了动力学问题中的阻尼效应。最后通过一个算例说明了改进后的数值流形方法能够很好地模拟岩石在冲击载荷作用下破坏的全过程,克服了有限元法不能模拟岩石破坏后块体运动情况的不足。     

爆炸冲击载荷作用下岩石的损伤实验

基于声波测试原理,利用RSM-SY5智能型声波仪,对某露天矿围岩在爆破冲击荷载作用下产生的损伤进行了现场实验研究。研究结果表明:爆破冲击荷载对距离爆源7 m范围内的岩石会造成损伤破坏,其损伤程度随着岩石与爆源距离的增大而减小;岩体声波速度随着爆破次数的不断增加而逐渐降低,多次爆破对岩石具有损伤累积效应;多次爆破的累积损伤不是单次爆破损伤的简单叠加,具有非线性特性,且距离爆源越近爆破累积损伤效应越明显。     

基于遗传算法的爆炸冲击荷载参数识别方法

基于改进的遗传算法 ,建立了根据测试系统动力响应观测数据反演爆炸冲击荷载参数的数值方法。遗传算法为解决反问题的不适定性提供了强有力的手段。数值模拟结果表明 ,所提出的爆炸冲击荷载参数随机反演方法具有全局搜索能力 ,并且具有良好的抗观测噪音能力。当测试系统的观测相对误差为 10 %时 ,参数反演结果的误差小于 8% ,所建立的参数反演方法具有良好的鲁棒性。     

冲击荷载作用下混凝土材料的细观本构模型

将混凝土材料看成是水泥砂浆基体和粗骨料颗粒组成的2相复合材料,假设水泥砂浆基体和粗骨料颗粒均为弹性、均匀、各向同性的,粗骨料颗粒为球形。基于Mori-Tanaka理论和Eshelby 等效夹杂理论推出了混凝土材料弹性模量的计算公式。在Horii和Nemat-Nasser提出的脆性材料在双轴向压应力作用下破坏的滑移裂纹模型基础上,运用细观力学方法推导了微裂纹对材料弹性模量的弱化作用以及微裂纹的损伤演化方程。建立了混凝土材料在冲击荷载作用下的一维动态本构模型,模拟曲线与实验曲线符合良好,因而可以用该模型模拟混凝土材料在冲击荷载下的动态特性。     

冲击荷载作用下粘土孔隙水压的数值分析

为了分析冲击荷载作用下粘土的孔隙水压力的增长规律,为分析粘土介质的动态响应、动力固结加固提供理论依据,将冲击瞬态荷载简化为三角形荷载,通过编制瞬变动态弹塑性有限元程序,对冲击荷载作用下粘土孔隙水压的动态响应进行了模拟,得出了冲击荷载作用下粘土孔隙水压的增长规律,发现孔隙水压力峰值无论是随水平距离还是随深度的增加均呈指数形式衰减,和实际工程施工中孔隙水压的监测数据相吻合。     

燃爆冲击作用下岩石初始破坏区形成机制与主控因素

为揭示燃爆冲击作用下井周岩石破坏区的形成机制,并分析影响初始破坏区(破碎区和初始裂隙区)的主控因素,开展了两种岩样在不同加载速率下的冲击破坏实验, 分析了岩石冲击破坏模式及岩石对加载速率的响应, 借助基于Von Mise准则建立的岩石冲击破坏的破碎区和初始裂隙区计算模型可知:加载速率低于190 GPa/s时,可依据冲击峰值压力引导的应力分布确定破碎区和初始裂隙区作用范围;燃爆压裂在近井地带主要产生破碎区和裂隙区,破碎区直径为井眼直径的1~3倍,初始裂隙区直径为井眼直径的5~7倍;冲击载荷作用下,初始破坏区与加载速率、脆性指数呈正相关,且受脆性指数影响更显著。研究结果可提高对燃爆压裂过程中岩石的破坏模式及其主控因素的认识深度,为燃爆压裂冲击条件设计提供指导。     

岩石材料的冲击开裂机理

基于爆燃压裂造缝原理,研制了可以模拟爆燃加载环境的岩石冲击开裂实验装置,为进行动载下的岩石开裂机理研究提供了实验手段。根据动量和能量守衡原理等,建立了冲击峰值压力和加压速率计算模型,模型计算结果与16次钢质岩心实验结果间平均相对误差分别为2.56%和4.04%,具有较高的精度。39次岩石冲击开裂实验结果分析表明,冲击能量和平均加压速率是影响岩石开裂以及开裂能否形成多条裂缝的主要因素;多条开裂裂缝的形成更大程度上取决于平均加压速率,且存在明显的临界平均加压速率;基于实验结果的灰色关联分析和多元二次多项式回归,建立的裂缝条数计算相关公式具有较高的精度,为油气田开发中爆燃压裂技术的机理研究和施工参数设计与控制提供重要的依据。     

反射型云纹法在岩石爆破机理研究中的应用

利用反射型动态云纹实验方法,对爆炸载荷作用下岩石平板试件中应力波传播及裂纹动态扩展进行研究,给出了高速转镜相机记录到的岩石平板爆炸加载实验时的动态云纹图。根据动态云纹图分析了炸药爆炸产生的应变场,并对裂纹的形成及其扩展速度的变化趋势进行了讨论。     

冲击荷载作用下简支圆板的塑性动力响应统一解

采用统一强度理论求解了简支圆板在中等脉冲荷载作用下的动力响应问题,得出了统一的动力塑性极限荷载、内力场和速度场,并给出了上限解和下限解。讨论了静力许可条件和运动许可条件。利用本文的解还得出了简支圆板在静力荷载作用下的极限荷载、内力场和速度场。根据选择不同的拉压比参数,本文所给出的解可以适用于各种拉压异性和拉压同性材料。Tresca解、Mohr Coulomb解和双剪统一屈服准则解是本文的特例,Mises解是本文当=1和b=0.5时的线性逼近。研究结果表明,拉压比和强度理论参数b对动力解的影响要大于对静力解的影响,所以,根据材料的不同选择合适的强度理论,对于更好的发挥材料的强度潜力,减轻结构的重量具有重要的意义。     

提高强冲击荷载作用下平板式防护门门框墙抗力的方法

在强冲击波荷载作用下门框墙转角处会产生明显的应力集中,影响门框墙体系甚至整个防护结构的安全。为解决该问题,提出在迎爆面门框墙和衬砌结合部位设置薄弱层的构造方法,从而减小冲击荷载引起的过大的拉应力。运用考虑了剪切变形的悬臂梁理论分析表明,梁端部约束刚度的变化可以影响结构的破坏形态以及结构的内力分布,降低端部的约束刚度可以有效降低端部区域的内力峰值,延缓结构发生破坏的时间。利用有限元模拟的方法,分析了在出入口门框墙位置设置薄弱层对门框墙动力响应和破坏规律的影响。分析结果表明,设置薄弱层可以有效降低门框墙转角处的应力,降低门框墙结构破坏的风险,进而提高门框墙的抗力水平。     

压剪联合冲击下K9玻璃中的失效波

对K9玻璃进行了冲击速度为150~400 m/s,倾斜角为10、15的纵剖试样斜撞击实验。结果表明,在加载剪切横波(S+)和卸载纵波(P-)之间有波速超过了纵波波速的波阵面存在,此波的存在对卸载纵波和卸载横波的幅值有一定的影响。由于失效波的产生与材料的表面性质密切相关,为消除纵剖试样中间界面的影响,模拟VISAR的实验条件,进行了冲击速度为70~300 m/s、倾斜角为10的横剖试样斜撞击实验。可以确定在此冲击范围失效波的波速在0.98~1.4 km/s,产生失效波的临界状态为：压应力0.86~1.01 GPa,对应剪应力0.053~0.071 GPa。表明剪应力的存在极大降低了失效波产生的阈值。在此基础上初步分析了撞击面的动摩擦因数和相对滑移速度。     

冲击载荷作用下裂纹动态响应的数值模拟

对垂直、剪切以及斜向等各种冲击载荷作用下裂纹的动态响应进行了数值模拟,得到了一系列随时间变化的动态应力场以及应变场图;根据其定义,计算出了相应的动态应力强度因子,进而分析了斜向载荷作用下裂纹起裂情况,并对最优断裂问题进行了阐述。     

爆炸荷载作用下围岩与地下结构的动力相互作用

利用ANSYS/LS-DYNA非线性显式动力有限元程序和流固耦合计算方法,对炸药在地下拱形结构上方岩石中垂直爆炸过程进行数值模拟,借助波动理论p-u Hugoniot线对爆炸冲击波在围岩与结构之间的传播和加卸载过程进行理论分析;得到了不同跨度拱形结构与围岩之间的最大相互作用力及相互作用力分布图。研究结果表明：冲击波由高阻抗围岩向低阻抗混凝土传播时,围岩卸载,应力减小;反向传播时,岩石加载,应力增大;爆距为5 m时爆炸冲击波对40 m跨度拱形结构整体产生拉压震荡,引起的震动效应显著。     

冲击载荷下岩石压胀对其性质的影响

采用落锤动态加载岩石实验系统,通过调节落锤质量、下落距离及活塞杆垫板材料,记录岩石瞬间形成冲击压力脉冲,研究压胀对不同岩石性质影响的规律。实验结果表明,压胀产生后岩石的性质发生了改变,岩石的渗透率有不同程度的增加,且岩石越致密,渗透率增加倍数越大;岩石的弹性模量和弹性极限随岩石体积的增加而降低;压胀产生后纵波和横波在岩石中的传播速度减小,岩样内部产生了微裂纹或原有微裂纹延伸扩展造成孔隙度增加。     

金属矿山矿柱回采时爆破荷载下采空区的围岩稳定性

以朝不楞矿区铁锌多金属矿山工程地质为依据,采用FLAC-3D软件及超声波测试,以岩体爆破损伤理论为基础,系统研究了多次爆破作用下井下分段回采巷道掘进时,回采巷道围岩损伤累计增长规律,并对尾砂胶结物充填相邻采空区下的矿柱回采进行了三维有限元数值模拟,分析了围岩爆破累计损伤和残留矿体矿柱回采及采空区稳定性。     

硬岩中地下爆炸震源函数的数值模拟

利用一维球对称有限差分数值计算源程序模拟了硬岩中地下强爆炸的震源函数,给出了弹性半径处的位移、径向压力波形,得到了地下爆炸的折合位移势及其源频谱。相关计算结果与已有文献给出的结果一致。同时,对介质剪切强度与地下爆炸震源强度之间的关系进行了数值分析。研究结果可为硬岩中地下强爆炸地震耦合效应的计算提供参考。     

撞击载荷下泡沫铝夹层板的动力响应

应用泡沫金属子弹撞击加载的方式研究了固支方形夹层板和等质量实体板的动力响应,分别应用激光测速装置和位移传感器测量了泡沫子弹的撞击速度和后面板中心点的位移历史,给出了夹层板的变形与失效模式,研究了子弹冲量、面板厚度、泡沫芯层厚度及芯层密度对夹层板抗撞击性能的影响。结果表明,后面板中心点挠度最大,周边最小,整体变形为穹形,且伴有花瓣形的变形。参数研究表明,通过增加面板厚度或芯层厚度均能有效控制后面板的挠度,改善夹层板的能量吸收能力,结构响应对子弹冲量和芯层密度比较敏感。实验结果对多孔金属夹层结构的优化设计具有一定的参考价值。 更多还原     

层内爆炸压裂岩石破碎颗粒尺寸的预测模型

借鉴爆破工程经验,结合层内爆炸压裂实际,应用能量守恒原理,将液体炸药爆炸形成的冲击波能 量分为岩石破碎的表面能和岩石内部的应变能,结合岩石断裂理论建立了粉碎区内岩石破碎粒径的预测模 型。实例计算层内爆炸压裂形成的岩石颗粒直径为1.43mm。计算结果表明:液体炸药层内爆炸后形成的 岩石破碎颗粒与石油工业中水力压裂使用的支撑剂粒径相当,能够支撑形成具有一定导流能力的裂缝。